论文分享
【国际论文】KAUST发布工作温度低于宇宙背景温度的氧化镓晶体管和 IC
日期：2026-02-26阅读：69
引言：挑战极低温极限
在量子计算、深空探测以及超导电子学等前沿领域，电子器件必须能够在极低温度下保持高效且稳定的运行 。例如，量子计算机的核心处理器通常运行在 4K 甚至更低的液氦温区 ；而航天器在执行月球或行星际探测任务时，面临的温度环境可低至 90K。传统的硅（Si）基电子器件在极低温下往往因载流子“冻结效应”而失效 。
近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航教授团队在国际知名学术期刊 Nano Letters 上发表了题为 “Two Kelvin Operation of Ultrawide-Bandgap Ga2O3 FinFETs and Logic Inverter Integrated Circuits” 的突破性工作。该研究首次实现了超宽禁带半导体——氧化镓在2K极低温环境下（零下271.15摄氏度）的晶体管逻辑电路运行。
β-Ga2O3 FinFET器件
关键科学意义：2K 的工作温度不仅远低于液氦沸点（4.2K），甚至低于宇宙微波背景辐射的平均温度（约 2.7K）。这一成果标志着氧化镓在极低温电子学领域迈出了里程碑式的一步。
为什么选择氧化镓？
氧化镓作为第四代半导体的代表，拥有约 4.8eV 的超宽带隙和高达8MV/cm 的临界击穿场强。此前，氧化镓已在高温电子学领域展示了卓越的潜力，能够支持 500C 以上的稳定作业。
然而，宽禁带半导体在低温下的表现一直是个难题。传统的碳化硅（SiC）和氮化镓体材料（bulk material）在 100K 附近通常会遭遇严重的载流子冻结，导致器件电阻急剧增加、阈值电压漂移，甚至完全丧失开关功能。李晓航教授团队通过创新的材料工程和器件设计，成功攻克了这一难题，证明了氧化镓可以在从极低温到超高温的“全温域”范围内工作。
技术核心：FinFET 架构与 Mott 跳跃传导机制
为了实现 2K 下的高性能逻辑运算，研究团队采用了鳍式场效应晶体管（FinFET） 架构。
1.材料生长与掺杂：团队利用脉冲激光沉积（PLD）技术，在半绝缘氧化镓衬底上同质外延生长了 600nm 厚的硅掺杂薄膜 。通过精确控制掺杂浓度，在材料中形成了独特的“杂质带”。
2.克服冻结效应：在 2K 极低温下，虽然常规导带中的热激发电子被冻结，但由于掺杂形成的杂质带电荷密度足够高，电子可以通过 Mott 变程跳跃（VRH） 机制进行传输 。这种“跳跃”传导确保了器件在接近绝对零度时依然具有导电能力。
3.FinFET 优势：三维鳍片结构（单器件含 55 个鳍片）提供了强大的栅极受控能力，确保了器件在极低温下仍能实现增强型（E-mode）工作，即在零栅压下处于关闭状态，这对于降低集成电路的功耗至关重要。
卓越的极低温表现
实验数据显示，该氧化镓 FinFET 在 2K 环境下表现出极佳的电学特性：
•高开关比：电流开关比超过 106。
•低亚阈值摆幅：亚阈值摆幅（SS）仅为 152mV/dec，且在 2K 与300K 之间变化极小，证明了其优异的温控稳定性。
•增强型工作：阈值电压在 2K 时为1.87V，实现了可靠的逻辑“关”状态。
β-Ga2O3 FinFET在300K至2K温区的电学特性表征
更进一步，团队展示了氧化镓单片集成反相器（Inverter）。这是逻辑电路中最基础的单元。该电路在2K下实现了：
•大幅电压摆幅：在 5V 供电下，输出摆幅达到 4.88V。
•高电压增益：增益高达28，能够有效驱动后续逻辑级。
•较低静态功耗：2K下静态功耗为0.13uW，这对于散热受限的深冷环境（如稀释致冷机内部）具有巨大吸引力 。未来功耗可随着scaling大幅减小。
基于单片集成Ga2O3 NMOS反相器在5V电源电压下的电学特性
未来展望：全温域电子学的基石
这项工作填补了超宽禁带半导体在极低温集成电路领域的空白。通过材料和器件工程的协同创新，团队证明了氧化镓不仅能“耐热”，更能“抗寒”。
对于产业化前景，研究团队指出，氧化镓具备低成本熔体法生长大尺寸衬底的优势 。未来，这种单片集成的氧化镓逻辑芯片有望取代沉重的热防护系统，直接部署在量子计算接口电路或深空探测器的外部暴露环境中，极大缩小系统体积并降低成本。
从宇宙最冷的深处到发动机最热的核心，氧化镓正展现出全场景覆盖的雄心。这项发表于 Nano Letters 的成果，无疑为极低温电子技术的发展开辟了全新的技术路径。
本研究通讯作者为沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航（Xiaohang Li）教授。该团队长期致力于超宽禁带半导体材料、光电和功率器件及集成电路的研究。
